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Wärmekraftanlage Die Erfindung betrifft Wärmekraftanlagen mit unteratmosphärischem
offenem Arbeitsprozeß, bei welchem ein im wesentlichen unter Atmosphärendruck stehendes,
gas- oder dampfförmiges, Arbeit abgebendes Medium in einer Kraftmaschine auf unteratmosphärischen
Druck expandiert und mittels eines Verdichters im Zusammenhang mit einer Kühlvorrichtung
wieder auf etwa Atmosphärendruck verdichtet wird. Derartige Anlagen, bei welchen
ein Gas beispielsweise in einer Turbine von atmosphärischem Druck auf unteratmosphärischen
Druck expandiert und danach in wieder verdichtetem Zustand in die Atmosphäre abgelassen
wird, werden im allgemeinen als Wärmekraftanlagen mit »umgekehrtem Kreisprozeß«
bezeichnet.
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Es sind schon Wärmekraftanlagen mit umgekehrtem Kreisprozeß vorgeschlagen
worden. Allgemein wird angestrebt, bei derartigen Wärmekraftanlagen mit umgekehrtem
Kreisprözeß einen besseren Gesamtwirkungsgrad zu erzielen. Dies stößt bei Wärmekraftanlagen
mit umgekehrtem Kreisprozeß infolge der zur 3Verfügung stehenden nur geringen Druckdifferenzen
4uf gewisse Schwierigkeiten, weshalb die Erzielung guter Gesamtwirkungsgrade mit
bekannten Anlagen dieser Art nicht möglich war. Die Erfindung weist in E er Hinsicht
neue Wege insofern, als es nach der #rtdung möglich ist, die geringen, zur Verfügung
stehenden Druckdifferenzen mit besserem Wirkungsgrad zu verarbeiten. Dies ist nach
der Erfindung dadurch möglich, daß als Verdichter an sich bekannte Zellenrad-Druckaustauscher
verwendet werden. Dadurch ergibt sich der weitere Vorteil, daß das zu verdichtende
1vUdium in einfacher Weise gekühlt werden kann, wodurc$.eine weitere Verbesserung
des Gesamtwirkungsgrades erzielt wird.
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Die Erfindung beinhaltet somit eine Wärmekraftanlage mit unteratmosphärischem
offenem Arbeitsprozeß, bei welcher ein im wesentlichen unter Atmosphärendruck stehendes,
gas- oder dampfförmiges, Arbeit abgebendes Medium in einer Kraftmaschine auf unteratmosphärischen',
Druck expandiert und mittels eines Verdichters im Zusammenhang mit einer Kühlvorrichtung
wieder auf etwa Atmosphärendruck verdichtet wird und welche dadurch gekennzeichnet
ist, daß als Verdichter ein Zellenrad-Druckaustauscher dient, dessen Hochdruckspülzone
einerseits mit einem Gas von höherer Temperatur als derjenigen des Kühlmittels beaufschlagt
wird und andererseits zur Umgebung offen ist und dessen Niederdruckspülzone in einem
Kreislauf liegt, in welchem die Kühleinrichtung angeordnet ist und in den das Abgas
der Kraftmaschine einströmt. Der innerhalb der Hochdruckspülzone angeordnete Einlaßkanal
des Druckaustauschers nimmt nach einem weiteren Merkmal der Erfindung das unter
unteratmosphärischem Druck stehende Abgas einer Abgas liefernden Anlage, z: B..
einer Wärmekraftmaschine, auf. Als Druckaustauscher findet vorzugsweise ein.--Zellenrad-Druckaustauscher
einer. an sich bekannten- Bauart mit feststehender Kanalsystem und umlaufendem Zellenrad
Anwendung: Gemäß dem Merkfinal einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind
die Ein- und Auslaßkanäle des Druckaustauschers in folgender Reihenfolge in Drehrichtung
des Zellenrades um dieses Rad herum derart angeordnet, daß sie nacheinander in.
folgender Reihenfolge Verbindung mit den Zellen- des Zellenrades bekommen: ,Iochdruckspülzonen-Einlaßkanal,
Hochdruckspülzonen-Auslaßkanal, Niederdruckspülzonen-Auslaßkanal und Niederdruckspülzonen-Einlaßkanal.
#-Nach einer anderen. Ausführungsform. der Erfin-, dung ist in einer derartigen
Wärmekraftanlage ein den Hochdruckspülzonen-Einlaßkanal mit dem Hoch-, druckspülzonen-Auslaßkanal
außerhalb des Zellenrades verbindender weiterer Kanal vorgesehen, in welchem ein
einstellbares Ventil zur Regelung der Gasströmung vorgesehen sein kann.
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Die Ein- und Auslagkanäle der- Hochdruckspülzonen und die Ein- und
Auslaßkanäle der Niederdruckspülzonen des Druckaustauschers können nach einem weiteren
Merkmal der Erfindung an den Stirnseiten in der Nähe des Umfanges des Zellenrades
derart dicht nebeneinander münden, daß die Stoß- und Expansionswellen, die beim
Schließen bzw. Öffnen der Zellen an den Kanalmündungen erzeugt werden, sich miteinander
kombinieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann ein Überleitungskanal
am Druckausauscher
vorgesehen sein, welcher diejenigen Zellen,
lie bereits mit den Zu- und Abführungskanälen der Jochdruckspülzone Verbindung hatten,
mit solchen dellen verbindet, welche gerade im Begriff sind, mit fiesen Kanälen
in Verbindung zu kommen. In diesem `Jberleitungskanal kann eine Einrichtung zur
Ein-;pritzung eines Kühlmediums angeordnet sein.
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Schließlich kann in der Hochdruckspülzone eine ühlvorrichtung angeordnet
sein, welche entweder iie Form eines Wärmeaustauschers oder die Form einer Einspritzvorrichtung
hat, welche ein Kühlnittel in die Kanäle der Hochdruckspülzone oder in iie Zellen
des Zellenrades einspritzt, unmittelbar bevor diese Zellen mit den Kanälen in Verbindung
tommen.
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Die Erfindung wird nunmehr beispielsweise unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen an Hand einiger bevorzugter Ausführungsformen beschrieben. In den Zeichnungen
stellt dar Fig. 1 ein Schaltschema für eine Wärmekraftanlage nach der Erfindung,
wobei der als Verdichter verwendete Zellenrad-Druckaustauscher in Abwicklung dargestellt
ist, Fig.2 eine andere Ausführungsform der Wärmekraftanlage nach der Erfindung,
ebenfalls in schematischer Darstellung, und Fig.3 eine schematische Darstellung
einer weiter abgewandelten Ausführungsform einer Wärmekraftanlage nach der Erfindung.
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Bei der erfindungsgemäßen Wärmekraftanlage nach Fig. 1 wird durch
die Leitung 2 ein Gas unter Atmosphärendruck oder mit einer über der der Umgebungstemperatur
bzw. über der Kühlmitteltemperatur an der Stelle 6 liegenden Temperatur einer Turbine
1 zugeführt. Das Gas wird in der Turbine auf einen Druck unter Atmosphärendruck
entspannt und gelangt durch einen Niederdruckspülzonen-Einlaßkanal3 in das Zellenrad
4 des Druckaustauschers. Der Einlaßkanal 3 steht außerhalb des Zellenrades mit einem
Hochdruckspülzonen-Auslaßkanal 5 in Verbindung, der das Gas mit Unterdruck aus dem
Zellenring 4 abführt. Die Kanäle 3 und 5 bilden zusammen mit den mit ihnen jeweils
in Verbindung stehenden Zellen des Zellenrades die Niederdruckspülstufe des Druckaustauschers.
Eine Kühlvorrichtung, welche den kalten Ast des Wärmeaustauschers bilden kann und
beispielsweise durch eine Kühlschlange 6 dargestellt ist, führt Wärme ab. Die Kühlschlange
6 befindet sich in dem Einlaßkanal 3 in der Nähe derjenigen Stelle, an der sich
die Kanäle 5 und 3 miteinander vereinigen, so daß das in das Zellenrad 4 eintretende,
aus dem Kanal 5 bzw. aus der Turbine 1 kommende Gas gekühlt wird, bevor es in die
Zellen eintritt. Das Spülen der Zellen erfolgt durch das Gas von Atmosphärendruck,
welches durch einen Hochdruckspülstufen-Einlaßkanal7 zuströmt, während das herausgespülte
Gas über einen Hochdruckspülstufen-Auslaßkanal 8 zur Atmosphäre abgeführt wird.
Der Einlaßkanal 7 ist - wie dargestellt -zweckmäßigerweise an den Turbinen-Einlaßkanal
2 angeschlossen. Die Turbine 1 sitzt auf einer Welle 9, von welcher man die Nutzleistung
abnehmen kann, beispielsweise durch eine bei 10 dargestellte elektrische
Maschine. Der Zellenring 4 ist drehbar, und die Kanäle 3, 5, 7 und 8 sind mit feststehenden
Stirnplatten verbunden, in welchen sich Lochungen bzw. Schlitze befinden, damit
zwischen den Zellen und den Kanälen eine Strömung stattfinden kann. Der Zellenring
4 kann durch die Turbine 1 angetrieben werden oder auch durch eine zusätzliche Antriebsvorrichtung,
wie z. B. einen Elektromotor. In der folgenden kurzen Darstellung der Betriebsweise
der Anlage werden in den Zellen auftretende Stoß- und Expansionswellen erwähnt.
In den Figuren sind die ersteren durch voll ausgezogene Linien, die letzteren durch
gestrichelte Linien dargestellt.
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Die Betriebsweise der Anlage ist wie folgt: Gas von Atmosphärendruck,
z. B. Luft, wird der Turbine 1 zugeführt und in derselben auf einen Druck unterhalb
dem der Atmosphäre entspannt und anschließend durch die Kühlschlange 6 gekühlt.
Dabei muß, um Arbeit leisten zu können, die Temperatur der Luft beim Eintritt in
die Turbine so hoch sein, daß die Lufttemperatur am Ende der Expansion, d. h. beim
Eintritt in den Kühler 6 noch über der Kühlmitteltemperatur liegt. Die kühle Luft
wird dann mit Unterdruck in die Zellen des Zellenringes 4 eingeführt, der sich in
der durch den Pfeil 11 angezeigten Richtung bewegt. Beim Eintritt des Gases
in eine Zelle entstehen Stoßwellen, wie sie durch die ausgezogenen Linien dargestellt
sind, und zwar infolge der genauen zeitlichen Steuerung der Zelle, wenn diese sich
nach dem Kanal 3 zu öffnet. Die Stoßwellen verursachen eine Verdichtung des Gases
in der Zelle, und dieses verdichtete Gas gelangt dann zu dem nächsten Kanal
7.
Da der Druck des Gases in der Zelle immer noch niedriger ist als Atmosphärendruck,
tritt Gas von Atmosphärendruck aus der Leitung 7 in die Zelle ein, und infolge der
genauen zeitlichen Steuerung der Öffnung treten weitere Stoßwellen auf. Dadurch
wird das Gas in .der Zelle noch mehr verdichtet, so daß der Druck über Atmosphärendruck
ansteigt. Bei Erreichen des Kanals 8 treten Expansionswellen auf, und ein Teil des
Gases in der Zelle geht durch den Kanal 8 mit Atmosphärendruck ab. Die Kanäle 7
und 8 wirkten also miteinander wie eine Spülstufe, wobei aus der Zelle fast das
ganze Gas, das aus dem Kanal 3 in die Zelle eingetreten war, entfernt und durch
Luft aus dem Kanal 7 ersetzt wurde. Sobald eine Zelle sich in den Kanals hinein
öffnet, treten weitere Expansions2 wellen auf, so daß über den Kanal 3 Gas eintritt.
Da durch den Kanal 5 abströmende Gas tritt nach Vo beistreichen an der Kühlschlange
wieder in d `-Kanal 3 ein. Durch den Umlauf des Gases in der Anlage wird die Turbine
1 angetrieben, und an ;=der Welle 9 kann Nutzleistung abgenommen werden,. Die geleistete
Arbeit entspricht der Differenz der Temperaturen zwischen der auf Unterdruck expg#,4dierten
Luft am Eintritt in den Kühler und dem Kühlmittel.
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Die Turbine 1 kann z. B. die letzte Expansionsstufe einer üblichen
Gasturbinenanlage sein. Druckaustauscher und Kühlvorrichtung würden dann die Abgasenergie
dieser üblichen Gasturbinenanlage ausnutzen. Dabei könnte die Gasturbine den Zellenring
des Druckaustauschers antreiben.
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Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung angegeben wurde, daß Gas
von."Atmosphärendruck, z. B. Luft, der Turbine 1 über den Kanal 2 und dem Zellenring
4 über den Kanal 9 azugeführt wird, so kann man doch, ohne sich aus dem Erfindungsbereich
zu entfernen, dieses Gas auch aus einer Zwischenstufe einer Turbine erhalten, in
welcher das Gas von einem höheren Druck als dem der Atmosphäre entspannt wird; die
Turbine 1 wäre dann die Niederdruckstufe bzw. -stufen einer solchen Turbine.
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Die Verdichtung und die Entspannung des Gases in den Zellen wurde
vorstehend beschrieben als eine Folge von Stoß- bzw. Expansionswellen, verursacht
durch die genaue zeitliche Steuerung des öffnens und des Schließens der Zellen.
Es könnten nun noch überleitungskanäle (die in der Fig. 1 nicht dargestellt sind)
dazu
verwendet werden, diese Verdichtung bzw. Entspannung zu erhöhen.
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Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, daß in der Hoch- und Niederdruckspülzone
die Öffnungen in den Stirnplatten, welche mit den Enden der Ein- und Auslaßkanäle
7 und 8 bzw. 3 und 5 in Verbindung stehen, am Umfang so nahe aneinander angeordnet
sind, daß eine Kompressionswelle mit einer Expansionswelle kombiniert wird. Dadurch
werden die Verluste verringert. Das Spülen kann durch eine. Vergrößerung der Öffnungen
vollkommener gestaltet werden.
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Die Öffnungen können am Umfang weiter voneinander entfernt werden,
so daß sich die Expansions- und Kompressionswellen getrennt voneinander aufbauen.
Eine derartige Anordnung ist in der Fig.2 dargestellt.
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In den vorhergehenden Beispielen könnte man Wärme in die Kanäle 2
oder 7 einführen, um einen Strom der umgebenden Luft oder einen Strom eines Gases
von praktisch Atmosphärendruck zu erwärmen. Anstatt der Kühlschlange 6 kann man
Sprühdüsen verwenden, um ein Kühlmittel, z. B. Wasser, direkt in die Zellen einzuspritzen,
gerade bevor sich dieselben zu dem Einlaßkanal3 öffnen. In einem solchen Falle kann
man auf den Auslaßkanal 5 sowie auf die außerhalb befindliche Kühlvorrichtung 6
verzichten.
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In Fig. 3 ist mit 4 ein Druckaustauscher-Zellenring bezeichnet, mit
dem Niederdruckspülzonen-Ein- und -Auslaßkanäle 3 und 5 sowie Hochdruckspülzonen-Ein-
und -Auslaßkanäle 7 und 8 zusammenwirken. Der Niederdruckspülzonen-Einlaßkanal 3
erhältAbgas von etwa Atmosphärendruck aus einer Brennkraftmaschine 17 oder einer
Gasturbine über eine Leitung 12 und einen Wärmeaustauscher 13. Der Wärmeaustauscher
überträgt die Wärme vom Abgas im Kanal 12 auf die Frischluft im Hochdruckspülzonen-Einlaßkanal7.
In den Kanälen der Niederdruckspülzone befindet sich eine Kühlschlange 6 oder eine
Düse zum Versprühen von Wasser. Der Hochdruckspül-Auslaßkanal 8 ist mit Odem Hochdruckspül-Einlaßkanal7
durch eine Uml#ufleitung 14 verbunden, in der die Strömung durch ein Ventil 15 geregelt
wird. Ein Überleitungskanal 16 oder mehrere solcher Kanäle sind mit ihren Enden
beiderseits der Niederdruckspülzone angeordnet, um Zellen, die bereits mit den Kanälen
der Niederdruckspülzone in Verbindung standen, und solche, die kurz vor dieser Verbindung
stehen, paarweise miteinander zu verbinden, wodurch die Verdichtung und die Entspannung
des Gases in den Zellen durch zeitlich gesteuerte Stoß- bzw. Expansionswellen erhöht
wird. Es soll hier keine ausführliche Beschreibung der Betriebsweise der in Fig.
3 dargestellten Anlage gegeben werden, da der Betrieb ähnlich wie bei der Anlage
nach Fig.1 verläuft, abgesehen davon, daß der überleitungskanal bzw. die -kanäle
Zellen, welche Gas unter verschiedenen Drücken enthalten, miteinander verbinden,
um die Kompressions- und Expansionsvorgänge zu unterstützen. Die Anordnung derartiger
Überleitungskanäle 16 an Druckaustauschern ist bekannt und ist für sich allein nicht
Gegenstand der Erfindung. Wird die Anlage nach Fig. 3 in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine
verwendet, dann steigt die Leistung und der Wirkungsgrad der Spülung der Brennkraftmaschine.
Bei Verwendung in einer Gasturbinenanlage erhöht sich die Nutzleistung und der Wirkungsgrad
der Turbine.
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In einigen Fällen kann es von Vorteil sein, das durch den Überleitungskanal
strömende Gas zu kühlen, beispielsweise durch das Versprühen von Wasser oder eines
sonstigen Kühlmittels in diesem Kanal.